专栏名称: 小白学视觉
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那些年我们一起卷过的卷积

小白学视觉  · 公众号  ·  · 2025-03-10 10:30

正文

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编者荐语

本篇文章将回顾那些年的一些经典卷积神经网络,并提炼要点且从网络结构、工作亮点、核心实现代码方面来进行阐述。

作者丨鲲China@知乎

链接丨https://zhuanlan.zhihu.com/p/576100800

引言

卷积是图像神经网络中的重要组成部分,它担起提取特征的重任,每当你编写一个网络结构的时候,它总会大喊"我来组成头部!",这么重要的头部自然值得我们好好地重视起来了"认真脸jpg",本篇文章将回顾那些年的一些经典卷积神经网络,并提炼要点且从以下几方面来进行阐述。

  1. 可供参考的资料、ImageNet 1000分类效果(采用224大小图片的效果,部分来自paperwithcode部分来自论文自身)。
  2. 网络的整体 or 核心结构图。
  3. 作者构建这些卷积网络的亮点。
  4. 具体的核心实现代码。

神经网络架构

(63.3% - 2012) AlexNet

论文: ImageNet Classification with Deep Convolutional Neural Networks

(https://proceedings.neurips.cc/paper/2012/file/c399862d3b9d6b76c8436e924a68c45b-Paper.pdf)

Blog : AlexNet: The First CNN to win Image Net

(https://www.kaggle.com/code/blurredmachine/alexnet-architecture-a-complete-guide/notebook)

效果: ImageNet top-1 accuracy 63.3%

结构图:

成就

  • 第一个在ImageNet上跑起来的神经网络,在当年的竞赛中成绩大幅度领先第二名。

创新

  • 2张GTX580 3G显存上训练百万级别的数据,在模型训练上做了一些工程的改进,现在单张A100显存能到80G,足以见当年的艰难。
  • 使用大卷积(11x11、5x5)和 全连接层,事实证明潮流是一个cycle,现在大卷积又开始流行起来了= =。
  • RELU:非线性激活单元,直到现在依然很流。
  • Dropout:防止过拟合,有模型ensemble的效果,后续应用广泛。
  • Local Response Normalization:一种正则化方法帮助模型更好的训练,后续基本没人用,大家可以阅读原文了解下。

代码:

class AlexNet(nn.Module):

    def __init__(self, num_classes: int = 1000) -> None:
        super(AlexNet, self).__init__()
        self.features = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(3, 64, kernel_size=11, stride=4, padding=2),
            nn.ReLU(inplace=True),
            nn.MaxPool2d(kernel_size=3, stride=2),
            nn.Conv2d(64, 192, kernel_size=5, padding=2),
            nn.ReLU(inplace=True),
            nn.MaxPool2d(kernel_size=3, stride=2),
            nn.Conv2d(192, 384, kernel_size=3, padding=1),
            nn.ReLU(inplace=True),
            nn.Conv2d(384, 256, kernel_size=3, padding=1),
            nn.ReLU(inplace=True),
            nn.Conv2d(256, 256, kernel_size=3, padding=1),
            nn.ReLU(inplace=True),
            nn.MaxPool2d(kernel_size=3, stride=2),
        )
        self.avgpool = nn.AdaptiveAvgPool2d((6, 6))
        self.classifier = nn.Sequential(
            nn.Dropout(),
            nn.Linear(256 * 6 * 6, 4096),
            nn.ReLU(inplace=True),
            nn.Dropout(),
            nn.Linear(4096, 4096),
            nn.ReLU(inplace=True),
            nn.Linear(4096, num_classes),
        )

    def forward(self, x: torch.Tensor) -> torch.Tensor:
        x = self.features(x)
        x = self.avgpool(x)
        x = torch.flatten(x, 1)
        x = self.classifier(x)
        return x

(74.5% - 2014) VGG

论文: Very Deep Convolutional Networks for Large-Scale Image Recognition

(https://link.zhihu.com/?target=https%3A//arxiv.org/abs/1409.1556)

Blog: 一文读懂VGG网络

(https://zhuanlan.zhihu.com/p/41423739)

效果: ImageNet top-1 accuracy 74.5%

结构图:

成就: ImageNet成绩大幅超过AlexNet,引领了未来网络朝着深度加深的方向进行。

创新: 使用3X3卷积核代替11X11, 5X5,将网络的深度做进一步加深的同时引入更多的非线性层。

代码:

import torch.nn as nn


cfg = {
    "vgg11": [64, "M", 128, "M", 256, 256, "M", 512, 512, "M", 512, 512, "M"],
    "vgg13": [64, 64, "M", 128, 128, "M", 256, 256, "M", 512, 512, "M", 512, 512, "M"],
    "vgg16": [64, 64, "M", 128, 128, "M", 256, 256, 256, "M", 512, 512, 512, "M", 512, 512, 512, "M"],
    "vgg19": [64, 64, "M", 128, 128, "M", 256, 256, 256, 256, "M", 512, 512, 512, 512, "M", 512, 512, 512, 512, "M"],
}


class VGG(nn.Module):
    def __init__(self, vgg_name, num_outputs=10):
        super().__init__()
        self.features = self._make_layers(cfg[vgg_name])
        self.classifier = nn.Linear(512, num_outputs)

    def forward(self, x):
        out = self.features(x)
        out = out.view(out.size(0), -1)
        out = self.classifier(out)
        return out

    def _make_layers(self, cfg):
        layers = []
        in_channels = 3
        for x in cfg:
            if x == "M":
                layers += [nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2)]
            else:
                layers += [
                    nn.Conv2d(in_channels, x, kernel_size=3, padding=1),
                    nn.BatchNorm2d(x),
                    nn.ReLU(inplace=True),
                ]
                in_channels = x
        layers += [nn.AvgPool2d(kernel_size=1, stride=1)]
        return nn.Sequential(*layers)


(80.0% - 2016) Inception

论文:

  • Inception V1(https://arxiv.org/pdf/1409.4842v1.pdf)
  • Inception V2&3(https://arxiv.org/pdf/1512.00567v3.pdf)
  • Inception V4(https://arxiv.org/pdf/1602.07261.pdf)

Blog : [A Simple Guide to the Versions of the Inception Network]

(https://towardsdatascience.com/a-simple-guide-to-the-versions-of-the-inception-network-7fc52b863202)

效果: ImageNet top-1 accuracy 80.00%

结构图:

创新:

  • 使用多尺度卷积核来提取信息,V1-V4基本就是在做这件事,无非是不断的优化性能。
  • 提出了Label Smoothing,这个东西比赛用的挺多的。

(78.6% - 2015) ResNet

论文: [Deep Residual Learning for Image Recognition]

(https://arxiv.org/abs/1512.03385)

Blog :

  • Resnet到底在解决一个什么问题呢? (https://www.zhihu.com/question/64494691/answer/786270699)

  • 你必须要知道CNN模型:ResNet (https://zhuanlan.zhihu.com/p/31852747)

效果: ImageNet top-1 accuracy 78.2% or 82.4%( [ResNet strikes back: An improved training procedure in timm]

(https://paperswithcode.com/paper/resnet-strikes-back-an-improved-training) )

结构图:

成就: 利用残差结构使得网络达到了前所未有的深度同时性能继续提升、同时使损失函数平面更加光滑(看过很多解释,这个个人觉得比较靠谱)

创新: 残差网络

代码:! key是关键代码、其实就一行~

class ResNetBasicBlock(nn.Module):
    expansion = 1

    def __init__(self, in_planes, out_planes, stride=1):
        super().__init__()
        self.conv1 = nn.Conv2d(in_planes, out_planes, kernel_size=3, stride=stride, padding=1, bias=False)
        self.bn1 = nn.BatchNorm2d(out_planes)
        self.conv2 = nn.Conv2d(out_planes, out_planes, kernel_size=3, stride=1, padding=1, bias=False)
        self.bn2 = nn.BatchNorm2d(out_planes)

        self.shortcut = nn.Sequential()
        # print(f"in_planes : {in_planes} | self.expansion * out_planes : {self.expansion * out_planes}")
        if stride != 1 or in_planes != self.expansion * out_planes:
            self.shortcut = nn.Sequential(
                nn.Conv2d(in_planes, self.expansion * out_planes, kernel_size=1, stride=stride, bias=False),
                nn.BatchNorm2d(self.expansion * out_planes),
            )

    def forward(self, x):
        out = F.relu(self.bn1(self.conv1(x)))
        # print(f"  conv 1: {out.shape}")
        out = self.bn2(self.conv2(out))
        # print(f"  conv 2: {out.shape}")
        out += self.shortcut(x)  #! key
        # print(f"shortcut: {out.shape}")
        out = F.relu(out)  # 然后一起relu
        # print("===" * 10)
        return out

(77.8% - 2016) DenseNet

* 论文: *Densely Connected Convolutional Networks

(https://arxiv.org/abs/1608.06993)

Blog :

  • CVPR 2017最佳论文作者解读:DenseNet 的“what”、“why”和“how”(https://www.leiphone.com/category/ai/0MNOwwfvWiAu43WO.html)
  • [pytorch源码解读]之DenseNet的源码解读(https://blog.csdn.net/u014453898/article/details/105670550)

效果: ImageNet top-1 accuracy 77.8%

结构图:

创新: 利用DenseBlock进行新特征的探索和原始特征的多次重用

代码:! key是关键代码、其实就一行~

class Bottleneck(nn.Module):
    def __init__(self, in_planes, growth_rate):
        super(Bottleneck, self).__init__()
        self.bn1 = nn.BatchNorm2d(in_planes)
        self.conv1 = nn.Conv2d(in_planes, 4 * growth_rate, kernel_size=1, bias=False)
        self.bn2 = nn.BatchNorm2d(4 * growth_rate)
        self.conv2 = nn.Conv2d(4 * growth_rate, growth_rate, kernel_size=3, padding=1, bias=False)

    def forward(self, x):
        out = self.conv1(F.relu(self.bn1(x)))
        out = self.conv2(F.relu(self.bn2(out)))
        out = torch.cat([out, x], 1) #! key
        return out

(80.9% - 2016) ResNext

论文: ResNext : Aggregated Residual Transformations for Deep Neural Networks

(https://arxiv.org/abs/1611.05431)

Blog :

  • ResNeXt详解 (https://zhuanlan.zhihu.com/p/51075096)

  • ResNeXt的分类效果为什么比Resnet好? (https://www.zhihu.com/question/323424817/answer/1078704765)

效果: ImageNet top-1 accuracy 80.9%

结构图:

创新: 提出Group的概念、利用Group增加特征的丰富度和多样性,类似multi-head attention。

代码:! key是关键代码、其实就一行~

import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F


class Block(nn.Module):
    """Grouped convolution block."""

    expansion = 2

    def __init__(self, in_planes, cardinality=32, bottleneck_width=4, stride=1):
        super(Block, self).__init__()
        group_width = cardinality * bottleneck_width
        self.conv1 = nn.Conv2d(in_planes, group_width, kernel_size=1, bias=False)
        self.bn1 = nn.BatchNorm2d(group_width)
        self.conv2 = nn.Conv2d(
            group_width, group_width, kernel_size=3, stride=stride, padding=1, groups=cardinality, bias=False
        )  #! key
        self.bn2 = nn.BatchNorm2d(group_width)
        self.conv3 = nn.Conv2d(group_width, self.expansion * group_width, kernel_size=1, bias=False)
        self.bn3 = nn.BatchNorm2d(self.expansion * group_width)

        self.shortcut = nn.Sequential()
        if stride != 1 or in_planes != self.expansion * group_width:
            self.shortcut = nn.Sequential(
                nn.Conv2d(in_planes, self.expansion * group_width, kernel_size=1, stride=stride, bias=False),
                nn.BatchNorm2d(self.expansion * group_width),
            )

    def forward(self, x):
        out = F.relu(self.bn1(self.conv1(x)))
        out = F.relu(self.bn2(self.conv2(out)))
        out = self.bn3(self.conv3(out))
        out += self.shortcut(x)
        out = F.relu(out)
        return out

(81.2% - 2016) Res2Net

论文: Res2Net: A New Multi-scale Backbone Architecture

(https://arxiv.org/pdf/1904.01169.pdf)

Blog: Res2Net:新型backbone网络,超越ResNet(https://zhuanlan.zhihu.com/p/86331579)

效果: ImageNet top-1 accuracy 81.23%

结构图:

亮点: 将多特征图的处理从layer并行的形势改为hierarchical

代码: 因为修改了特征图的交互为hierarchical,所以代码有点多

class Bottle2neck(nn.Module):
    expansion = 4

    def __init__(self, inplanes, planes, stride=1, downsample=None, baseWidth=26, scale=4, stype="normal"):
        """Constructor
        Args:
            inplanes: input channel dimensionality
            planes: output channel dimensionality
            stride: conv stride. Replaces pooling layer.
            downsample: None when stride = 1
            baseWidth: basic width of conv3x3
            scale: number of scale.
            type: 'normal': normal set. 'stage': first block of a new stage.
        "
""
        super(Bottle2neck, self).__init__()
        # todo baseWidth, width, scale的含义
        width = int(math.floor(planes * (baseWidth / 64.0)))
        print(f"width : {width}")
        self.conv1 = nn.Conv2d(inplanes, width * scale, kernel_size=1, bias=False)
        print(f"width * scale : {width * scale}")
        self.bn1 = nn.BatchNorm2d(width * scale)

        # nums的含义
        if scale == 1:
            self.nums = 1
        else:
            self.nums = scale - 1
            
        # todo stype的含义
        if stype == "stage":
            self.pool = nn.AvgPool2d(kernel_size=3, stride=stride, padding=1)

        # 这里似乎是核心改进点
        convs = []
        bns = []
        for i in range(self.nums):
            convs.append(nn.Conv2d(width, width, kernel_size=3, stride=stride, padding=1, bias=False))
            bns.append(nn.BatchNorm2d(width))
        self.convs = nn.ModuleList(convs)
        self.bns = nn.ModuleList(bns)
        print(f"convs : {len(convs)}")
        self.conv3 = nn.Conv2d(width * scale, planes * self.expansion, kernel_size=1, bias=False)
        self.bn3 = nn.BatchNorm2d(planes * self.expansion)

        self.relu = nn.ReLU(inplace=True)
        self.downsample = downsample
        self.stype = stype
        self.scale = scale
        self.width = width
        print("============= init finish =============")

    def forward(self, x):
        residual = x
        print(f"x : {x.shape}")
        out = self.conv1(x)
        out = self.bn1(out)
        out = self.relu(out)
        print(f"conv1 : {out.shape}")        

        spx = torch.split(out, self.width, 1)
        for i in spx:
            print(i.shape)
        print(f"len(spx) : {len(spx)}")
        for i in range(self.nums):
            if i == 0 or self.stype == "stage":
                sp = spx[i]
            else:
                sp = sp + spx[i]
            
            print(f"sp : {sp.shape}")
            sp = self.convs[i](sp)
            sp = self.relu(self.bns[i](sp))
            if i == 0:
                out = sp
            else:
                out = torch.cat((out, sp), 1) # 相当于y2-y3-y4
        if self.scale != 1 and self.stype == "normal":






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